Охлаждането с Пелтие (термоелектрическа технология за охлаждане, базирана на ефекта на Пелтие) се превърна в една от основните технологии в системата за контрол на температурата за PCR (полимеразна верижна реакция) инструменти, благодарение на бързата си реакция, прецизния контрол на температурата и компактния размер, което оказва силно влияние върху ефективността, точността и сценариите на приложение на PCR. Следва подробен анализ на специфичните приложения и предимства на термоелектрическото охлаждане (охлаждане с Пелтие), започвайки от основните изисквания на PCR:
I. Основни изисквания за контрол на температурата в PCR технологията
Основният процес на PCR е повтарящ се цикъл на денатурация (90-95℃), отгряване (50-60℃) и удължаване (72℃), който има изключително строги изисквания към системата за контрол на температурата.
Бързо покачване и спадане на температурата: Съкращаване на времето на един цикъл (например, спадането от 95℃ до 55℃ отнема само няколко секунди) и повишаване на ефективността на реакцията;
Високопрецизен контрол на температурата: Отклонение от ±0,5℃ в температурата на отгряване може да доведе до неспецифично усилване и трябва да се контролира в рамките на ±0,1℃.
Температурна равномерност: Когато множество проби реагират едновременно, температурната разлика между ямките на пробите трябва да бъде ≤0,5℃, за да се избегнат отклонения в резултата.
Адаптиране на миниатюризацията: Преносимата PCR (като например сценарии за POCT тестване на място) трябва да бъде компактна по размер и без механично износващи се части.
II. Основни приложения на термоелектрическото охлаждане в PCR
Термоелектричният охладител Cooler TEC, термоелектричен охлаждащ модул, модул Пелтие постига „двупосочно превключване на нагряване и охлаждане“ чрез постоянен ток, като перфектно отговаря на изискванията за контрол на температурата на PCR. Специфичните му приложения се отразяват в следните аспекти:
1. Бързо покачване и спадане на температурата: Съкращаване на времето за реакция
Принцип: Чрез промяна на посоката на тока, TEC модулът, термоелектрическият модул или устройството на Пелтие могат бързо да превключват между режим „нагряване“ (когато токът е в права посока, абсорбиращият топлината край на TEC модула става отделящ топлината край) и „охлаждане“ (когато токът е в обратна посока, отделящият топлината край става абсорбиращ топлината край), с време за реакция обикновено по-малко от 1 секунда.
Предимства: Традиционните методи за охлаждане (като вентилатори и компресори) разчитат на топлопроводимост или механично движение, а скоростите на нагряване и охлаждане обикновено са по-малки от 2℃/s. Когато TEC се комбинира с метални блокове с висока топлопроводимост (като мед и алуминиева сплав), може да се постигне скорост на нагряване и охлаждане от 5-10℃/s, намалявайки времето за един PCR цикъл от 30 минути до по-малко от 10 минути (както е при инструментите за бърза PCR).
2. Високопрецизен контрол на температурата: Осигуряване на специфичност на амплификацията
Принцип: Изходната мощност (интензитет на нагряване/охлаждане) на TEC модула, термоелектрическия модул за охлаждане и термоелектрическия модул е линейно корелирана с интензитета на тока. В комбинация с високопрецизни температурни сензори (като платинени резистори, термодвойки) и PID система за управление с обратна връзка, токът може да се регулира в реално време, за да се постигне прецизен контрол на температурата.
Предимства: Точността на контрол на температурата може да достигне ±0,1℃, което е много по-високо от това на традиционното охлаждане с течна баня или компресорно охлаждане (±0,5℃). Например, ако целевата температура по време на етапа на отгряване е 58℃, TEC модулът, термоелектричният модул, охладителят на Пелтие или елементът на Пелтие могат стабилно да поддържат тази температура, като избягват неспецифичното свързване на праймерите поради температурни колебания и значително повишават специфичността на амплификацията.
3. Миниатюрен дизайн: Насърчаване на разработването на преносими PCR системи
Принцип: Обемът на TEC модула, елемента на Пелтие, устройството на Пелтие е само няколко квадратни сантиметра (например, TEC модул, термоелектричен охлаждащ модул или модул на Пелтие с размери 10×10 мм може да отговори на изискванията на една проба), той няма механични движещи се части (като буталото на компресора или лопатките на вентилатора) и не изисква хладилен агент.
Предимства: Когато традиционните PCR инструменти разчитат на компресори за охлаждане, техният обем обикновено е над 50 литра. Въпреки това, преносимите PCR инструменти, използващи термоелектрически модул за охлаждане, термоелектрически модул, модул на Пелтие, TEC модул, могат да бъдат намалени до по-малко от 5 литра (като например ръчни устройства), което ги прави подходящи за полеви тестове (като например скрининг на място по време на епидемии), клинично тестване до леглото на пациента и други сценарии.
4. Еднородност на температурата: Осигуряване на последователност между различните проби
Принцип: Чрез подреждане на множество комплекти TEC масиви (като например 96 микро TEC, съответстващи на 96-ямкова плака) или в комбинация с метални блокове, споделящи топлината (материали с висока топлопроводимост), температурните отклонения, причинени от индивидуалните разлики в TEC, могат да бъдат компенсирани.
Предимства: Температурната разлика между ямките за проби може да се контролира в рамките на ±0,3℃, като се избягват разликите в ефективността на амплификацията, причинени от неравномерни температури между крайните и централните ямки, и се осигурява сравнимост на резултатите от пробите (като например съгласуваността на CT стойностите при количествена PCR с флуоресценция в реално време).
5. Надеждност и поддръжка: Намаляване на дългосрочните разходи
Принцип: TEC няма износващи се части, има живот над 100 000 часа и не изисква редовна смяна на хладилни агенти (като фреон в компресорите).
Предимства: Средният живот на PCR инструмент, охлаждан от традиционен компресор, е приблизително от 5 до 8 години, докато TEC системата може да го удължи до над 10 години. Освен това, поддръжката изисква само почистване на радиатора, което значително намалява разходите за експлоатация и поддръжка на оборудването.
III. Предизвикателства и оптимизации в приложенията
Охлаждането на полупроводниците не е перфектно в PCR и изисква целенасочена оптимизация:
Затруднено разсейване на топлината: Когато TEC се охлажда, голямо количество топлина се натрупва в страната, където се отделя топлината (например, когато температурата падне от 95℃ на 55℃, температурната разлика достига 40℃ и мощността на отделяне на топлина се увеличава значително). Необходимо е да се комбинира с ефективна система за разсейване на топлината (като медни радиатори + турбинни вентилатори или модули за течно охлаждане), в противен случай това ще доведе до намаляване на ефективността на охлаждане (и дори до повреди от прегряване).
Контрол на консумацията на енергия: При големи температурни разлики, консумацията на енергия от TEC е относително висока (например, TEC мощността на 96-ямков PCR инструмент може да достигне 100-200 W) и е необходимо да се намали неефективната консумация на енергия чрез интелигентни алгоритми (като например предсказуем контрол на температурата).
Iv. Практически случаи на приложение
Понастоящем, масовите PCR инструменти (особено инструментите за количествена PCR с флуоресценция в реално време) обикновено използват технология за охлаждане на полупроводници, например:
Лабораторно оборудване: 96-ямков флуоресцентен количествен PCR апарат от определена марка, включващ TEC контрол на температурата, със скорост на нагряване и охлаждане до 6℃/s, точност на контрол на температурата от ±0.05℃ и поддържащ 384-ямково високопроизводително откриване.
Преносимо устройство: Определен преносим PCR инструмент (с тегло под 1 кг), базиран на TEC дизайн, може да завърши откриването на новия коронавирус в рамките на 30 минути и е подходящ за сценарии на място, като летища и общности.
Обобщение
Термоелектрическото охлаждане, с трите си основни предимства - бърза реакция, висока прецизност и миниатюризация, реши ключовите проблеми на PCR технологията по отношение на ефективност, специфичност и адаптивност към сцената, превръщайки се в стандартна технология за съвременните PCR инструменти (особено бързите и преносими устройства) и популяризирайки PCR от лабораторията до по-широки области на приложение, като например клинично откриване до леглото на пациента и на място.
TES1-15809T200 за PCR машина
Температура на горещата страна: 30°C,
I max: 9.2A
Umax: 18.6V
Qmax: 99,5 W
Делта T макс.: 67°C
ACR: 1,7 ±15% Ω (1,53 до 1,87 ома)
Размер: 77 × 16,8 × 2,8 мм
Време на публикуване: 13 август 2025 г.
